편집부(외신) 전자공학이 전기에 대한 것인 것처럼 광자공학은 빛에 관한 공학이다. 빛은 전자보다 휠씬 다양한 응용이 가능하다. 그 어떤 물체도 빛보다 빠르지 않다. 에너지는 질량과 광속의 제곱에 비례한다는 말에서 볼 수 있는 것처럼 우주에 관한 기초 물리는 빛과 밀접한 관련이 있다. 우주의 에너지를 동력으로 이용하는 것은 인간만이 할 수 있는 일이다. 빛의 창조, 조작, 인코딩, 제어, 전달, 검출과 디코딩에 관한 연구는 아직 초보단계이다. 이것이 광자공학의 영역인 것이다. 정확하게, 광자공학이란 무엇인가? 전자공학이 전기에 대한 것인 것처럼 광자공학은 빛에 대한 것이다. 아니 그 이상이다. 전자를 이용하고 있는 여러 가지 방법들은 빛을 이용하여 얻을 수 있는 것 앞에서 무색할 따름이다. 이미지라는 관점에서 볼 때 빛은 언제나 주요한 정보 전달 매체이다. 빛의 근본적인 회절 한계에 도달했을 때야 비로소 우리는 원하는 이미지를 얻기 위해 전자에 의존한다. 그러나 이미 근접 장 스캐닝을 통해 전자의 영역을 빛이 넘보게 되었다. 빛이 초창기 통신수단이었다는 것은 누구나 다 아는 사실이다. 즉 봉화에서부터 등대까지 배와 해안가와의 통신 수단으로 사용되었던 것이다. 현대 광자공학을 돌이켜 보면 원거리 통신과 고출력 장치, 자외선 영역부터 장파장 적외선을 내는 장치, 생물학과 관련된 장치까지 모두 광자공학의 범주 내에 있음을 알 수 있다. 광자공학은 원거리 통신보다도 훨씬 광범위한 분야이다. 이글에서는 광자공학의 최근 근황과 미래 그리고 원거리 통신 산업에 대해 알아보고 잘 알려지지 않은 광자 공학의 부분 즉, 다른 응용 분야에 대해 알아보기로 한다. 광 보존 : 누가 누구를 위해 무엇을 하였는가? 우리는 통신을 위해 오랫동안 간단하게 암호화된 빛을 사용해왔다. 하지만 느린 전달 속도(봉화의 경우 분당 12비트)와 송, 수신자가 눈에 보이는 위치에 있어야만 한다는 불편함에 불편할 수밖에 없었다. 그 후에 송, 수신자가 눈에 보여야만 하는 불편함을 해결하기 위한 방법이 1980년대에 개발되었다. 틴댈(처음으로 개발한 것은 아닌 것으로 보임)이 광원에 부착된 입구에서 나오는 물을 따라 빛이 진행한다는 것을 발견한 것이 그것이다. 비록 물을 매질로 사용하는 것은 비실용적이지만 유리처럼 전반사하는 물질을 매질로 사용하면 된다는 힌트를 준 셈이다. 몇몇 과학자들은 잘 휘어지는 내시경용 유리로 실제로 실험을 해보았다. 1927년 텔레비전의 발명자, 존 로지 바드는 이미지 전송이 가능한 유리 케이블을 특허 출원했다. 그러나 케이블 광학을 정의하고 광질(light quality)이 흡수에 민감하다는 것을 밝힌 것은 해럴드 홉킨스였다. 광케이블은 구부러진 곳까지 빛을 전달할 수 있지만 어느 정도 멀리 떨어진 거리에서는 광질이 나빠져 더 이상 정보를 전달할 수 없기 때문에 다시 신호를 반복해 줘야하는 문제가 있었다. 원거리 통신을 위해 유리 광섬유를 사용하기 위해서는 신호가 킬로미터당 20dB씩 줄어드는 문제를 해결해야만 했다. 영국 우체국에서 일하고 있던 카오와 헉함은 1966년에 그 문제를 해결하는 방법을 찾아냈다. 그 파장은 미국과 유럽에까지 퍼져나갔다. 1972년에 코닝사(Corning 社)는 기상 증착 공정으로 고순도, 저손실 통신이 가능하다는 것을 보였다. 세라믹(여기서는 유리)이 광자공학 혁명을 알린 것이다. 광섬유 : 광자공학의 할아버지 사염화 규소(SiCl4)가 불꽃 속으로 증발해 날아가 산소와 반응하는 과정에서 실리카가 만들어진다. 굴절률 차이는 저마니아(germania)같은 첨가물을 첨가함으로써 바꿀 수 있다. 만들어진 실리카 가루는 경화 공정 전에 낚싯대 표면을 코팅하는데 쓰인다. 실리카 가루는 반응성 가스를 이용하여 완전 건조되고 최종 섬유 제품의 굴절률에 맞게 유리 시험 샘플로 만들어진다. 대부분의 원거리 통신용 광섬유는 단계적으로 구분이 되어있다. 즉, 중심 부분의 섬유와 밖을 둘러싸고 있는 층 사이에 매우 작은 굴절률 차이가 잘 구분되어있다. 최종 섬유는 광섬유 드로우 타워로부터 뽑아서 만든다. 광섬유는 전선처럼 플라스틱으로 덮혀있기 때문에 기본적인 외형이 기존 전선과 비슷하다. 그러나 광섬유는 전선과 달리 섬유 이음부분이 정확하게 정렬되어 있어야 하고 녹여서 이어야한다. 잘 알려진 실리카 V-커브에서 감소율이 가장 적은 부분과 그 다음으로 적은 감소율을 보이는 부분은 각각 1.55와 1.3㎛부분이다(저마니아가 첨가된 실리카 섬유에서 분광이 전혀 되지 않는 점이기도 하다). 더 많은 대역에 관한 연구에 의해 L대역과 C대역에서부터 S대역까지 훨씬 넓은 파장을 사용할 수 있게 되었다. 대역폭이 커진 대가로 감소율이 증가하게 되는데 감소율이 가능한 작을수록 좋기 때문에 여러 회사에서 감소율을 최소로 하려는 노력을 계속 하고 있다. 그렇게 함으로써 물에 의한 흡수에 대한 문제를 해결할 수 있고 레일리가 정의한 단파장 산란의 극한 조건에 근본적으로 접근할 수 있으며 긴 파장에 대해서는 다중 포논(phonon) 여기를 피할 수 있다. 대부분의 통신용 광섬유는 근본적으로 섬유의 중심에서 한쪽 방향으로만 빛이 전달되는 싱글 모드(single mode)이다. 처음에는 섬유의 중심부가 매우 작기 때문에 빛이 많이 지나가지 못할 것이라고 생각되었다. 그러나 섬유를 통해 짧은 펄스를 내보낸다면 펄스가 다른 광학적 경로를 통해 퍼져나갈 수 있기 때문에 중심부가 작은 광섬유는 펄스가 훨씬 적게 산란되면서도 주기의 변화 없이 전파 될 것이다. 각각의 경로를 모드라고 부르는데 빛이 중심으로만 퍼져나가는 경우를 싱글 모드라고 부른다. 광학 기술이 원거리 통신과 다른 분야에 얼마나 영향을 미칠지는 아무도 모른다. 광섬유 내에서 흡수와 산란으로 감쇄된 신호는 1.55㎛ 파장일 경우에는 이리듐이 첨가된 섬유 증폭기(eridum-doped fiber amplifier, EDFAs)를 1.3㎛ 파장일 경우에는 프라세오듐이나 툴륨을, 다른 많은 파장에 대해서는 라만 증폭기를 사용하여 증폭할 수 있다. 감쇄된 신호는 감쇄 보상 섬유를 통과시켜 회복시킬 수 있다. 속도에 한계가 있는 전선을 변환이 필요 없는 광섬유로 보다 많이 대체하고 보다 넓은 대역을 서로 다른 정보를 가진 구별된 파장의 채널로 나누면(dense wavelength division multiplexing, DWDM) 초당 테라 비트의 전송이 가능해 진다. 이 속도는 수백 년간의 일간 신문에 해당하는 활자를 단 일초 만에 전송하는 것과 같은 속도이다. 그리 멀지 않은 미래에 광섬유가 집집마다 보급되어 광대역을 이용한 cable TV, 전화기, 인터넷 서비스가 가능해질 것이다. 몇몇 유기물이 연구되고 있기는 하지만 일반적으로 무기물이 광자공학 분야를 이끌어 나가고 있다는 사실이 세라믹 분야에게 희소식이라고 할 수 있다. 광자공학의 응용이 기대되는 또 다른 분야는 컴퓨터 분야이다. 우리는 이미 CD라는, 광학을 이용한 고효율의 저장매체를 사용하고 있다. 그러나 빛을 이용하면 빠른 속도로 여러 가지 일을 동시에 하는 것이 가능하다. 인간은 순차적으로 사고하지 않지만 순차적으로 사고하는 컴퓨터는 빠르지만 효율이 떨어진다. 여러 빛을 동시에 조사하면 간섭현상에 의해 교차되는 곳에서만 빛이 생기도록 조정할 수 있는데 이 때문에 빛은 동시작업을 하기에 안성맞춤이다. 통신에 문제가 될 수 있는 혼선이나 전자기장 간섭을 최소화할 수 있다. 그러나 ‘크다’라는 말과 ‘컴퓨터’는 메모리 측면을 고려하지 않는다면 어울리지 않는 말이다. 즉, 최소화가 가장 핵심 과제이다. 고체 레이저는 최소화와 관련되어 많은 관심을 끌고 있다. 1960년대에 루비 레이저에서부터 오늘날 VCSEL(verical-cavity surface-emitting laser)까지 레이저 분야에는 많은 진보가 있었다. 반도체 레이저는 전자공학 분야에서 최소화를 가능하게 했지만 대부분의 집적회로가 실리콘 기판을 사용하고 있다는 문제가 있다. 최소화된 광학기기가 어떤 모양일지, 어떤 물질을 기반으로 하고 있을지는 아무도 모른다. 많은 사람들이 나노테크놀로지를 기대하고 있듯이 광학분야에서도 나노기술을 사용하면 확실한 이점들이 있다. 광자공학에 쓰이는 회로는 아마도 분자공학의 영역에 있을 것이다. 각 분자들이 구조에 따라 빛을 낼 수 있다는 것은 잘 알려진 사실이다. 분자는 헬리시티에 따라 왼쪽이나 오른쪽으로 편광된 빛을 선택적으로 흡수한다. 그 결과 편광된 빛의 편광 방향이 회전을 한다. 이것은 2차 광원이나 자기장에 의해 조절될 수 있으며 인코딩 장치의 역할을 할 수 있다. 우리가 분자를 조절할 수 있다는 것은 빠르고 작게 만들 수 있다는 것을 의미한다. 큰 분자를 능동 부품과 수동 연결 부품으로 사용하는 것은 미래의 일이지만 기초적인 연구가 생명광자공학이라고 알려진 분야에서 진행되고 있다. 빛과 생명 생명광자공학은 빛을 생산, 측정, 조정, 간섭하여 생명체에 사용하는 것이다. 생명광자공학은 질병의 치료와 완화, 생물학 종의 분석, 광학 관찰 기술, 생명 공학의 도구로서 빛의 연구를 위해 빛을 사용한다. 예를 들면 two-photon 현미경은 살아있는 세포의 3차원 이미지를 얻기 위해서 자외선 부근의 단파가 필요한데 이는 병이 발생하는 동시에 어디가 문제 인지를 관찰할 수 있다는 것을 말한다. 그러나 생명광자공학에서 사용하려면 광섬유에 빛의 분산이 없어야한다. 원거리 통신 기술에서 현재 사용되고 있는 싱글 모드 실리카 광섬유를 사용한 장치가 제작되었다. 광섬유는 높은 입력 파워에서는 비선형 반응을 하여 two-photon 형광 내시경 검사가 가능하게 했다. 통신 분야로부터 기술을 차용한 다른 사례는 스위칭과 라우팅 필요한 비선형 광학 과정을 이용하기 위해 쓰이는 양자점이다. 양자점 형광체는 흔히 쓰이던 형광 염료 태그보다 훨씬 밝고 겹쳐지지 않게 여러 점을 찍을 수 있어 생명분자공학 분야에서 표시기로 사용되고 있다. 이 양자점 형광체를 이용하면 단백질의 이동을 관찰, 추적함으로써 이해하기 힘들었던 세포의 활동을 설명하고 보다 확실한 생명 활동의 모습을 얻을 수 있다. 한계 극복 광자공학에서는 빛이 가지고 있는 중첩의 한계를 뛰어넘으려는 즉, 빛의 파장보다 작은 물체를 관측하려는 노력이 계속되고 있다. 이것은 빛의 소멸성질을 사용하여 구현할 수 있다. 빛은 전반사가 가능한데 광섬유의 중앙부의 표면에서 전반사가 일어나면 빛이 구멍을 통해 찌그러져 파장보다 작아질 수 있다. 표면의 전기장은 불연속적으로 끝나지 않고 표면에서 지수 함수적으로 줄어들게 한다. 만약 관찰 대상이 충분히 표면 가까이에 있다면 물체는 전기장을 방해하여 관측이 가능하게 된다. 빛의 소멸 성질을 이용한 가장 유명한 방법이 근접장 주사 광학 현미경(near-field scanning optical microscopy, NSOM)이다. NSOM은 광섬유 끝을 시편 끝에 가까이 가져다 대는 원자 단위 현미경(atomic force microscopy, AFM)의 원리를 이용한다. 광섬유는 보통 싱글 모드 섬유를 사용하고 끝을 제외한 부분을 금속으로 코팅한다. 금속 코팅은 광섬유의 끝 가까이에 축에 평행한 전기장 진동을 발생시킨다. AFM 기술은 광섬유 끝을 시편 가까이 가져가면 시편과 끝 사이에 인력이 작용하고 그 결과 섬유를 타고 전해지면 이미지가 생기는 것이다. 현재는 섬유에 의한 한계가 있지만 이 기술은 재료공학 분야와 생명공학 분야에 그 활용도가 크다. 통신 산업에서부터 이 기술의 효율을 개선하려는 연구가 진행되고 있다. 광자 밴드 구조 광자공학의 새롭고 흥미로운 분야는 빛의 입자-파동의 이중성이다. 고체 물리 수업을 들은 사람은 주기적인 퍼텐셜 우물이 있을 때의 전자 움직임을 고려함으로써 전자의 밴드 구조를 모델링했던 것을 기억할 것이다. 밴드 구조의 핵심은, 만약 퍼텐셜 우물의 에너지 장벽이 높고 넓을 경우 전자는 구조내에서 쉽게 움직이지 못하기 때문에 넓은 금지대(forbidden energy bands)가 생겨 재료는 부도체가 되고, 퍼텐셜 장벽이 낮고 좁다면 전자는 장벽사이를 쉽게 움직일 수 있고 재료는 도체가 된다는 것이다. 높은 퍼텐셜 장벽을 낮은 굴절률 옆의 높은 굴절률 영역이라고 한다면 비슷한 논리를 포톤(photon)에 적용시킬 수 있다. 주기적으로 다양한 굴절률을 갖게 한다면 우리는 ‘광자결정(photonic crystal)’을 만들 수 있다. 굴절률 차이를 크게 하면 광학적인 부도체를 만들 수 있고, 굴절률의 차이가 없이 구조만 변화시킨다면 광학적인 도체도 만들 수 있는 것이다. 이러한 아이디어를 광섬유에 적용시켰다. 광학적인 부도체 즉, 광학적인 밴드 갭을 가지고 있는 물질은 둘 중에 한 가지 형태를 갖는다. 두 가지 형태란 결함을 만들어주는 주기적인 구멍의 배열로 둘러싸인 고체 코어 형태와 구멍이 격자로 나있고 섬유의 중앙에 구멍이 있는 형태를 말한다. 전자의 경우에는 보통 광섬유와 같이 빛이 코어를 따라 움직인다. 그러나 이때의 겉 층은 틈이 많고 낮은 굴절률을 갖고 있기 때문에 빛이 다양한 각으로 입사할 수 있다. 더구나 효과적인 겉층은 파장에 영향을 받지 않아야한다.(물론 구멍의 크기와 공간 그리고 피치에도 영향을 받아서는 안 된다) 그렇기 때문에 겉층의 유효 굴절률은 파장이 줄어들수록 증가하게 된다. 이런 효과를 이용하면 위에도 언급한 것과 같이 아무리 작은 광섬유라고 해도 넓은 범위의 파장을 싱글 모드로 계속 사용할 수 있다는 장점이 있다. 이런 소자의 제작은 빛이 광섬유 중앙의 결함에 닿으면 결함에 갇힌다는 사실을 이용한 것이다. 이를 위해 외부 전파가 광자 밴드 갭 안에 있게 하여 그로 인해 금지대가 형성될 수 있도록 주기적으로 겉층을 둘러싼다. 이런 구조의 장점은 감쇄나 분산이 되지 않는다는 것이다. 그렇기 때문에 땅속에 있는 광섬유를 밴드 갭 광섬유로 바꾸지 않을 이유가 없는 것이다. 그러나 이런 구조를 갖는 광섬유의 제작이 쉬운 것은 아니다. 많은 문헌을 읽어보면 다양한 제조 방법이 제안되어있는데 대부분은 얇은 관과 모세관을 결합하여 사용하는 것이다. 이러한 방법들에는 여러 가지 문제가 있는데 계면이 많을수록 높은 손실을 유발할 수 있는 산란 센터들이 많아진다는 것이 그 중 하나이다. 코어와 구멍을 정렬시켜야하기 때문에 광섬유를 합치는 것도 문제가 된다. 그러나 능동 소자로 사용할 수 있는 짧은 길이의 광섬유를 이용한 많은 응용 제품이 가능하다. 광자 전도체 조차도 사용할 수 있는 한 두 가지 응용제품이 가능하다. 광섬유를 제작할 수 있는 한 가지 방법은 리본 구조인데 납작한 형태의 희토류가 첨가된 층과 첨가되지 않은 원통형 층이 교대로 쌓아있는 형태로 만드는 것이다. 여기서 희토류가 첨가된 층은 이득(gain)이 있는 영역을 나타내고 첨가되지 않은 층은 이득이 없는 영역을 나타낸다. 그러나 이들 영역의 디자인 요구사항이 똑같은 굴절률을 가져야 한다는 것이다. 그렇기 때문에 비록 주기적이라고는 하지만 포톤의 이동에 대한 퍼텐셜 장벽이 존재하지 않는 것과 같아 광자 ‘전도체’를 구성하게 된다. 이런 구조는 동일한 물질에 대해서는 굴절률을 맞추기가 힘들고 재료 자체에서는 다른 조성적인 문제 때문에 제조하기가 힘들다. (Ceramic Bulletin)